5D打印機？瑞士科學家成功在5D設計空間內(nèi)3D打印出復雜結構

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究復雜材料的科學家們開發(fā)出了一種3D打印方法，可用來設計具有精制微觀結構特征的復合材料。在此之前，這種結構特征只會出現(xiàn)在自然生長的生物材料中。利用他們稱之為“多材料磁力輔助3D打印系統(tǒng)（MM-3D printing），研究團隊已經(jīng)具備了超越常規(guī)3D成型的能力，甚至可以說進入了5D設計領域，因為他們的這項技術有能力令多功能的變形柔性裝置成為現(xiàn)實，而這類裝置可以用于制造類似人體肌腱或者肌肉結構的機械連接系統(tǒng)，或是柔性機器人的選擇性抓取-放置系統(tǒng)等。

研究人員表示，如果能將多種材料融合到一個3D打印對象的單一幾何結構中，就有可能創(chuàng)造出動態(tài)可編程的物體 — 這種可能性我們已經(jīng)看到了，比如使用加載了陰極和陽極材料的油墨可實現(xiàn)鋰離子微電池的直接布線；或者將細胞與生物相容性水凝膠相結合以探索組織再生等等。在實現(xiàn)方法上，這些3D打印的設計與自然界中活細胞生長出生物材料的方式類似，但直到現(xiàn)在，他們在復雜度上也無法達到后者的水平。“與常規(guī)的3D打印技術相比，活細胞具有獨立的局部組成和紋理控制。這至少為它們提供了額外的兩個自由度?！毖芯空邆兘忉屨f。

于是，受到在自然材料中發(fā)現(xiàn)的多種結構的啟發(fā) ，研究者們設計了“一種可以在5D設計空間內(nèi)編程并制造合成微結構的3D打印方法?！痹谶@里，所謂的5D設計空間指的是除了3D打印的成型能力之外，再加上對合成物本身的控制（+1D）和粒子取向向（+1D）。

由3DDiscovery公司regenHU改裝成的MM-3D打印平臺

到目前為止，我們已經(jīng)接觸到了一些4D打印的技術，比如那些使用3D打印的形狀記憶高分子材料創(chuàng)建的自折疊結構等，而現(xiàn)在，為了實現(xiàn)更高級的“5D可編程性”，研究人員先是開發(fā)了一種由其中懸浮有磁感應粒子的液態(tài)光敏樹脂制成的特殊墨水，然后使用了一臺改裝的商業(yè)3D打印機（3DDiscovery公司的regenHU）實現(xiàn)了這種墨水的沉積。

據(jù)中國3D打印專業(yè)媒體平臺南極熊了解，這款特制的3D打印機配備了四個可獨立尋址定位的注射器（每個注射器都可盛放不同配方的墨水），還安裝了一個由兩個部件組成的混合分配單元。該單元的作用是逐漸改變油墨的組成。至于研究中使用的墨水，則是兩種具有不同流變特性的墨水：具有粘彈性的“成型”墨水，用于生成外圍；低粘度的“紋理”墨水，用于輪廓內(nèi)的打印。

為了證明自己可通過MM-3D打印平臺實現(xiàn)定向、復合和形狀控制的能力，研究人員打印出了一個在自然界中絕不存在的具有復雜形狀和非均質精細微結構的3D物體 — 螺旋（見上圖）。該物體的外部是各種不同的凸起和凹陷曲面，其內(nèi)部則是一種由片狀結構組成的螺旋樓梯結構，從底部一直延伸到頂部。整個物體高度僅18毫米，圓形底座直徑16毫米，頂部直徑為10毫米，總共由60個圓形層組成。這種極其復雜的小尺寸3D打印物體代表著一種更加先進的人造物體。與之前的研究成果相比，它更加接近生物材料和植物系統(tǒng)中那種豐富、復雜、高效的幾何形式。

目前，研究者們已經(jīng)能使用這種3D打印平臺創(chuàng)造出柔性的機械緊固零件和3D形變的鑰匙-鎖連接器了?！翱梢栽O想的功能還有許多，而我們提供的實例是利用這種非均質的復合材料來制造通過特殊原理工作的柔性機械緊固件。這種結構不需任何化學粘合，而只需要緊固系統(tǒng)預編程的形狀變化帶驅動的部件之間的機械互鎖?！?br />
這種奇特的緊固系統(tǒng)可用于創(chuàng)建類似人體肌腱或者肌肉的機械連接系統(tǒng)，而另一種鑰匙-鎖連接器則可用于自動觸發(fā)的靈活關節(jié)以及柔性機器人的選擇性抓取-放置系統(tǒng)等。

via 3ders

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